Кіріспе
Қалыпты жұмыс кезінде жоғары температурада жұмыс істейтін ядролық реактор түрі. Жоғары температуралы газ салқындатылатын реактор (ЖСЖР) – реактордың өзегінен өте жоғары шығыс температурасын алу үшін уран отыны мен графиттен модерацияны пайдаланатын газ салқындатылатын ядролық реактор түрі. Қазіргі барлық ЖСЖР реакторлары гелий салқындатқышын пайдаланады. Реактордың өзегі "призмалық блок" (дәстүрлі реактор өзегін еске түсіреді) немесе "шағыл төсек" түрінде болуы мүмкін. Қазіргі уақытта China Huaneng Group Қытайдың Шаньдун провинциясында 250 МВт қуаттылықтағы HTR PM жоғары температуралы газ салқындатылатын реактор электр стансасын пайдалануда. ЖСЖР реакторларының жоғары жұмыс температурасы термохимиялық күкірт-йод циклы арқылы процестік жылу немесе сутегі өндіру сияқты қолданыстарға мүмкіндік береді. HGTR-ді дамыту жобасы – IV буынның өте жоғары температуралы реакторы (VHTR), ол бастапқыда 750-950 °C температурада жұмыс істеуі тиіс.
A high temperature gas cooled reactor (HTGR) is a type of gas cooled nuclear reactor which use uranium fuel and graphite moderation to produce very high reactor core output temperatures. All existing HTGR reactors use helium coolant. The reactor core can be either a "prismatic block" (reminiscent of a conventional reactor core) or a "pebble bed" core. China Huaneng Group currently operates HTR PM, a 250 MW HTGR power plant in Shandong province, China. The high operating temperatures of HTGR reactors potentially enable applications such as process heat or hydrogen production via the thermochemical sulfur–iodine cycle. A proposed development of the HGTR is the Generation IV very high temperature reactor (VHTR) which would initially work with temperatures of 750 to 950 °C.
Тарих
Жоғары температуралы, газбен суытылған реакторды электр энергиясын өндіру үшін қолдануды 1944 жылы Чикаго университетінің металлургиялық зертханасының химия бөлімінің директоры Фаррингтон Дэниелс ұсынды. Бастапқыда Дэниелс бериллийден модератор қолданатын реакторды көздеген. Бұл жоғары температуралы жобалау ұсынысын әзірлеу 1947 жылға дейін Клинтон зертханасының (қазіргі Oak Ridge Ұлттық зертханасы) Power Pile бөлімінде жалғасты. 1950 жылдары Германия профессоры Рудольф Шультен де дамуға үлес қосты. Питер Фортескью, General Atomics компаниясында жұмыс істеген кезде, жоғары температуралы газбен суытылған реактордың (HTGR) және газбен суытылған жылдам реактордың (GCFR) бастапқы дамуына жауапты команданы басқарды. АҚШ-тағы Peach Bottom 1 реакторы электр энергиясын өндірген алғашқы HTGR болды және ол өте табысты жұмыс істеді, 1966 жылдан 1974 жылға дейін технологиялық демонстрация ретінде пайдаланылды. Форт-Сент-Врейн электр станциясы осы үлгідегі HTGR ретінде 1979 жылдан 1989 жылға дейін жұмыс істеген. Реакторда кейбір мәселелер туындады, бұл экономикалық факторларға байланысты оны тоқтатуға әкелді, бірақ ол АҚШ-та HTGR тұжырымдамасының дұрыстығын көрсетті (содан бері онда жаңа коммерциялық HTGR әзірленген жоқ). Тәжірибелік HTGR реакторлары Ұлыбританияда (Dragon реакторы) және Германияда (AVR реакторы және THTR 300) болды, ал қазіргі уақытта Жапонияда (призмалық отынды пайдаланатын, 30 МВт жылу қуаты бар жоғары температуралы инженерлік сынақ реакторы) және Қытайда (10 МВт электр қуаты бар тас төсекті HTR 10) бар. 2021 жылдан бері Қытайда екі толық масштабты тас төсекті HTGR реакторы (HTR PM), әрқайсысы 100 МВт электр қуатын өндіруге қабілетті, жұмыс істеп тұр.
Нейтрондық модератор
Нейтрондық баяулатушы графиттен жасалған, алайда реакторлық ядро графиттік призмалық блоктар түрінде немесе графиттік кесектер түрінде жасалатыны HTGR конструкциясына байланысты.
Ядролық отын
Жоғары температуралы газды реакторларда (HTGR) қолданылатын отын – TRISO отын бөлшектері сияқты қапталған отын бөлшектері. Қапталған отын бөлшектерінің отын ядролары бар, олар әдетте уран диоксидінен жасалады, алайда уран карбиді немесе уран оксикарбиді де қолданылуы мүмкін. Уран оксикарбиді уран карбиді мен уран диоксидінің қосындысы болып, оттегі стехиометриясын төмендетеді. Оттегінің азаюы бөлшектің ішіндегі қысымды төмендетуі мүмкін, себебі бөлшектегі кеуекті көміртек қабатының тотығуы салдарынан көміртек монооксиді пайда болады. TRISO бөлшектері қиыршық тас төсегі үшін қиыршықтарға таратылады немесе ықшамдалып/сабындарға құйрылып, содан кейін алтыбұрышты графит блоктарына салынады. Аргонн ұлттық зертханасында ұсынылған QUADRISO отын тұжырымы реактивтіліктің артық мөлшерін тиімді басқаруға мүмкіндік береді.
Салқындатқыш
Гелий бүгінгі күнге дейін барлық ЖЖЭР-лерде (Жоғары Температуралы Газды Реакторлар) салқындатқыш ретінде қолданылып келеді. Гелий инертті газ болғандықтан, ол әдетте ешқандай материалмен химиялық реакцияға түспейді. Сонымен қатар, гелийді нейтрондық сәулеленуге ұшырату оны радиоактивті етпейді, көптеген басқа мүмкін салқындатқыштардан өзгеше.
Бақылау
Призмалық конструкцияларда басқару таяқшалары өзекті құрайтын графит блоктарында жасалған тесіктерге салынады. Егер VHTR тас төсек өзегін пайдаланса, басқару қазіргі PBMR конструкциялары сияқты жүзеге асырылады, басқару таяқшалары айналағы графит рефлекторына салынады. Нейтронды жұтатын материалдарды қамтитын тастарды қосу арқылы да басқаруға қол жеткізуге болады.
Қауіпсіздік ерекшеліктері мен басқа да артықшылықтар
Құрылымы гелиймен салқындатылған, графитпен баяулатылған өзектің қасиетті қауіпсіздік ерекшеліктерін пайдаланып, нақты конструкциялық оңтайландырулармен жабдықталған. Графит үлкен жылулық инерцияға ие, ал гелий салқындатқышы бір фазалы, инертті және реакциялық әсері жоқ. Өзегі графиттен тұрады, жоғары жылу сыйымдылығына және тіпті жоғары температурада да құрылымдық тұрақтылығына ие. Отын жоғары күйдіруге (200 ГВт/т-қа жуық) мүмкіндік беретін және бөліну өнімдерін ұстап тұратын уран оксикарбидімен қапталған. VHTR-дің жоғары орташа өзектік шығу температурасы (1000 °C) шығарындысыз жоғары сапалы процестік жылу өндіруге мүмкіндік береді. Реакторлар 60 жылдық қызмет ету мерзіміне есептелген.
Құрылыстағы реакторлар
2011 жылға дейін барлығы жеті ЖТАҚ (Жоғары Температуралы Газдық Реактор) салынған және пайдалануға берілген. 2021/22 жылдары Қытайдың HTR PM нысанында тағы екі ЖТАҚ реакторы іске қосылды. Нысан атауыЕлі, іске қосылған жылыЖабылу жылыРеакторлар саныОтын түріШығатын температура (°C)Жылу қуаты (МВт) Dragon реакторыҚытай2021Жұмыс істеп жатыр2Тас төсегі750250 Сонымен қатар, 1969 жылдан 1971 жылға дейін Лос-Аламос Ұлттық зертханасы 3 МВт Жөнімен Жоғары Температуралы Реактор Экспериментін (UHTREX) жоғары температуралы газ салқындатылатын реакторлар технологиясын жетілдіру үшін жүргізді. UHTREX-те, ЖТАҚ реакторларынан өзгеше, гелий салқындатқышы тікелей ядролық отынмен жанасып, 1300°C-тан жоғары температураға жетті.
Additionally, from 1969 to 1971, the 3 MW Ultra High Temperature Reactor Experiment (UHTREX) was operated by Los Alamos National Laboratory to develop the technology of high temperature gas cooled reactors. In UHTREX, unlike HTGR reactors, helium coolant contacted nuclear fuel directly, reaching temperatures in excess of 1300°C.